一、概述
钙钛矿太阳能电池是指使用钙钛复合氧化物晶体结构的化合物作为吸光半导体材料的太阳能电池，主要由以下五个功能层组成：透明导电氧化物（TCO）、N型半导体（电子传输层ETL）、钙钛矿层、P型半导体（空穴传输层HTL）和背电极。根据功能层的堆叠顺序，PSCs可分为正置的n-i-p和倒置的p-i-n结构。22年7月28日纤纳光电生产的全球首款钙钛矿商用组件α成功出货5000片，也标志着钙钛矿电池开始进入商业化阶段。
钙钛矿电池结构介绍
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电池层 |
主要作用 |
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顶电极(TCO层） |
一般为ITO（锡掺杂氧化铟）或FTO（氟掺杂氧化锡）膜物质，主要起到电极的作用，通常由玻璃生产企业在玻璃基片上镀上TCO膜之后销售给下游电池企业，一般要求其方块电阻越小越好，透过率在85%以上，既可有效收集载流子又可充分采光。 |
|
电子传输层 |
电子传输层要具有较高的电子迁移率，其导带最小值低于钙钛矿材料的导带最小值，便于接收由钙钛矿层传输的电子，并将其传输到FTO中，一般采用TiO2作为电子传输层。其形态结构决定了电池的性能，不仅决定电子的传输还影响钙钛矿薄膜的生长，形态结构通常包括多孔态ETL、介孔态ETL、平面态ETL。 |
|
钙钛矿层 |
钙钛矿吸光层具有较好的吸光性，当被太阳光照射时，该层可以吸收太阳光中的部分光子，从而产生电子-空穴对。平板结构和介孔结构是常用的两种钙钛矿吸光层结构，相较而言，介孔结构的多孔层对电子的支撑和传递作用能够使电池更加稳定和高效。 |
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空穴传输层 |
有机空穴传输层紧挨钙钛矿吸光层，与钙钛矿层能保持良好的接触，能够更好地实现空穴的传输，空穴传输层则常用spiro-OMeTAD作为材料。 |
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背电极 |
由于空穴传输材料的限制，目前广泛应用于高效钙钛矿太阳电池金属背电极的是金和铂，其良好的导电性能够使电池更好的发挥作用，但相比传统太阳电池电极材料（铝、银、石墨等）要昂贵许多 |
数据来源：观研天下整理
根据观研报告网发布的《中国钙钛矿电池行业发展现状分析与投资前景研究报告（2022-2029年）》显示，钛矿作为第三代薄膜太阳能电池，相比于碲化镉组件，其优势主要在于极限转化效率更高、成本更低。以转化效率且与晶硅相比为例，在实验室数据方面，1954年5月美国贝尔实验室开发出6%的单晶硅太阳能电池效率，晶硅2017年转换效率才达到26.7%。2022年8月单纯钙钛矿电池的转化效率已达到25.6%，2022年7月EPFL和CSEM开发出钙钛矿-硅叠层光伏电池，转化效率达到31.3%，2022年6月全钙钛矿叠层电池效率达到28%。简而言之，在过去十来年里钙钛矿太阳能电池在实验室转化效率上取得了晶硅太阳能电池60余年的进展。
钙钛矿电池实验室转换效率历程
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时间 |
研发团队 |
电池类型 |
转换效率 |
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2009 |
日本科学家Miyasaka |
单结钙钛矿太阳能电池 |
3.80% |
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2011 |
韩国成均馆大学Nam-GyuPark课题组 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
6.50% |
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2012 |
牛津大学Henry Snaith HE和Mike Lee课题组 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
10.00% |
|
2012 |
牛津大学Henry Snaith |
单结钙钛矿太阳能电池 |
15.40% |
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2015 |
韩国化学技术研究所以及成均馆大学 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
17.90% |
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2016 |
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL） |
单结钙钛矿太阳能电池 |
19.60% |
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2017 |
韩国蔚山国立科技研究所 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
22.10% |
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2018 |
中国科学院半导体研究所研究员游经碧课题组 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
23.70% |
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2019.4 |
韩国化学技术研究所（KRICT） |
单结钙钛矿太阳能电池 |
24.20% |
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2019.8 |
韩国化学技术研究所、麻省理工 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
25.20% |
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2020.9 |
香港城市大学、华盛顿大学 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
25.50% |
|
2021.1 |
韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST） |
单结钙钛矿太阳能电池 |
25.50% |
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2022.8 |
中国科学院半导体所 |
单结钙钛矿太阳能电池 |
25.60% |
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2018 |
牛津光伏（OxfordPV） |
硅/钙钛矿叠层太阳能电池 |
27.30% |
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2018 |
牛津光伏（OxfordPV） |
硅/钙钛矿叠层太阳能电池 |
28.00% |
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2020.1 |
亥姆霍兹中心（HZB） |
硅/钙钛矿叠层太阳能电池 |
29.15% |
|
2020.12 |
牛津光伏(OxfordPV） |
硅/钙钛矿叠层太阳能电池 |
29.52% |
|
2021.11 |
亥姆霍兹中心（HZB） |
硅/钙钛矿叠层太阳能电池 |
29.80% |
|
2022.7 |
洛桑联邦理工学院（EPFL）和瑞士电子与微技术中心（CSEM） |
硅/钙钛矿叠层太阳能电池 |
31.30% |
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2020.1 |
美国能源部国家可再生能源实验室 |
全钙钛矿叠层电池 |
23.10% |
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2022.2 |
加拿大多伦多大学EdwardH.Sargent教授 |
全钙钛矿叠层电池 |
26.40% |
|
2022.6 |
南京大学谭海仁教授课题组 |
全钙位矿叠层电池 |
28.00% |
|
2022.6 |
普林斯顿大学研究人员 |
大面积钙钛矿叠层电池 |
21.70% |
数据来源：观研天下整理
数据来源：观研天下整理
二、竞争分析
进入2021年，在光伏等下游市场需求持续旺盛的背景下，我国钙钛矿电池行业投资市场火热，并且有腾讯、碧桂园及宁德时代等跨界企业和三峡资本、高瓴资本等机构投资钙钛矿电池，如碧桂园于2021年参投极电光能、2022年参投无限光能。
2018-2022年我国钙钛矿电池行业一级市场投资情况
|
企业 |
近期融资 |
融资时间 |
融资规模 |
投资方 |
|
黎元新能源 |
天使轮 |
2018 |
/ |
允怡天使 |
|
协鑫光电 |
pre-A轮 |
2020 |
1.8亿元 |
昆山高新创业投资有限公司、凯辉智慧新能源基金（法国道达尔能源入股）、瑞庭投资（宁德时代实控）等 |
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纤纳光电 |
C轮 |
2021.1 |
3.6亿元 |
长江三峡集团旗下三峡资本联合中国三峡新能源、京能集团、衢州金控、三峡招银等 |
|
协鑫光电 |
/ |
2021.3 |
过亿 |
凯辉能源基金领投 |
|
万度光能 |
A轮 |
2021.8 |
/ |
宜昌国投集团 |
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曜能科技 |
A轮 |
2021.8 |
千万级 |
高瓴气候变化投资团队 |
|
极电光能 |
Pre-A轮 |
2021.10 |
2.2亿元 |
碧桂园创投、九智资本联合领投，建银国际、云林基金跟投，控股股东稳晟科技追加投资；长城汽车控股 |
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仁烁光能 |
天使轮 |
2021 |
五千万 |
/ |
|
协鑫光电 |
B轮 |
2022.5 |
数亿级 |
腾讯参投，光源资本任财务顾问 |
|
无限光能 |
天使轮 |
2022.6 |
千万级 |
碧桂园创投、耀途资本、光跃投资共同参投，德太资本任财务顾问 |
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光晶能源 |
天使轮 |
2022.8 |
千万级 |
正轩投资领投，创新工场、鼎祥资本跟投，光智资本担任独家财务顾问 |
|
仁烁光能 |
Pre-A轮 |
2022.8 |
数亿级 |
三行资本领投，中科创星、苏高新创投、金浦智能、险峰长青、云启资本、中财产业基金等跟投 |
数据来源：观研天下整理
此外，我国钙钛矿电池行业逐渐加快产业化探索步伐，并且已有企业开始规划GW级产线，如协鑫光电、极电光能且预计在2023-2024年能够看到产线落地。同时，2021年以来单结钙钛矿电池的百兆瓦级产线建设及规划数量明显增加，如2021年首条协鑫光电百兆瓦级产线建成投产，纤纳光电、极电光能、万度光能也在2021年通过融资等方式投建百兆瓦级产线，百兆瓦级产线建设需求增加，但叠层电池现阶段多处于研发试验阶段。
我国钙钛矿电池行业产业化进展情况
|
企业 |
电池类型 |
规模(MW) |
产线类型 |
产品尺寸 |
转换效率 |
产线状态 |
|
单结钙钛矿电池 |
||||||
|
协鑫纳米 |
单结钙钛矿 |
10 |
中试线 |
450mm*650mm |
17% |
2017年投产 |
|
协鑫光电 |
单结钙钛矿 |
100 |
量产线 |
1000mm*2000mm |
≤16% |
2021年投产 |
|
协鑫光电 |
单结钙钛矿 |
＞1000 |
量产线 |
≥1000mm*2000mm |
>20% |
预计2023-2024年投建 |
|
纤纳光电 |
单结钙钛矿 |
20 |
中试线 |
/ |
/ |
2018年投产 |
|
纤纳光电 |
单结钙钛矿 |
100 |
量产线 |
1245mm*635mm |
/ |
2022年初建成 |
|
极电光能 |
单结钙钛矿 |
150 |
试制线 |
1200mm*600mm |
≥18% |
预计2022年9月首片下线 |
|
极电光能 |
单结钙钛矿 |
1000 |
量产线 |
/ |
/ |
6GW项目一期，预计2024年投产 |
|
极电光能 |
单结钙钛矿 |
5000 |
量产线 |
/ |
/ |
6GW项目二期，预计2025年投产 |
|
万度光能 |
单结碳基钙钛矿 |
200 |
大试线 |
3600cm2 |
/ |
2021年投建 |
|
大正微纳 |
柔性钙钛矿 |
10 |
量产线 |
400mm*600mm |
21% |
2022年7月投产 |
|
大正微纳 |
柔性钙钛矿 |
100 |
量产线 |
/ |
/ |
预计2023年底建成 |
|
无限光能 |
大尺寸钙钛矿电池 |
<10 |
试验线 |
/ |
>20% |
预计2022年Q3建成 |
|
无限光能 |
大尺寸钙钛矿电池 |
100 |
量产线 |
/ |
/ |
预计2024年建成 |
|
光晶能源 |
单结钙钛矿 |
100 |
中试线 |
300mm*300mm |
20% |
预计2023年投产 |
|
晶硅钙钛矿叠层电池 |
||||||
|
杭萧钢构（合特光电） |
异质结钙钛矿叠层 |
100 |
中试线 |
/ |
＞28% |
预计2023年5月前投产 |
|
东方日升 |
异质结钙钛矿叠层 |
/ |
试验线 |
/ |
/ |
2022年投建，建设周期2年 |
|
全钙钛矿叠层电池 |
||||||
|
仁烁光能 |
全钙钛矿叠层 |
10 |
中试线 |
300mm*400mm |
>22% |
2021年投产 |
|
仁烁光能 |
全钙钛矿叠层 |
150 |
量产线 |
1200mm*600mm |
>20% |
2022年投建 |
|
铜铟镓硒钙钛矿叠层电池 |
||||||
|
泰州锦能 |
铜铟镓硒钙钛矿叠层 |
/ |
/ |
/ |
>22% |
2021年投建 |
|
未明确具体类型 |
||||||
|
金昌鑫磊鑫半导体 |
钙钛矿薄膜电池 |
1000 |
/ |
/ |
/ |
2022年投建 |
|
中国华能（清能院） |
大面积钙钛矿电池 |
/ |
中试线 |
3500cm2 |
/ |
2021年投产 |
|
宁德时代 |
钙钛矿电池 |
/ |
中试线 |
- |
|
|
数据来源：观研天下整理（WYD）
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